CHƯƠNG 2. CHỈNH LƯU 2.1. GIỚI THIỆU CHUNG
6.4. MẠCH ĐIỀU KHIỂN BBĐ MỘT CHIỀU - MỘT CHIỀU
BBĐ một chiều - một chiều sử dụng các dụng cụ bán dẫn có điều khiển, vì vậy để BBĐ có thể làm việc đúng theo yêu cầu cần phải tạo ra các tín hiệu điều khiển để khống chế các van. Mạch điện để tạo ra các tín hiệu điều khiển này được gọi là mạch điều khiển của BBĐ một chiều - một chiều. Từ nguyên lý hoạt động của mạch lực, có thể nhận thấy, tần số làm việc của BBĐ phụ thuộc vào tần số tín hiệu điều khiển trên điện cực điều khiển các van. Điều này hoàn toàn khác so với các BBĐ được cấp bởi nguồn xoay chiều, ví dụ tín hiệu điều khiển các van chỉnh lưu xuất hiện với tần số bằng tần số nguồn cung cấp cho BBĐ. Như vậy trong mạch điều khiển BBĐ này cần phải có mạch phát sóng chuẩn, nó quyết định tần số xung điều khiển các van, tức là quyết định tần số chuỗi xung điện áp ra. Ngoài ra, phụ thuộc vào phương pháp điều chỉnh điện áp ra sẽ cần phải có các mạch điện khác để thực hiện các nhiệm vụ cần thiết để đảm bảo được qui luật điều chỉnh nhất định.
Thêm nữa, phụ thuộc vào loại dụng cụ bán dẫn được sử dụng, kiểu sơ đồ BBĐ mà tín hiệu điều khiển cũng có những yêu cầu cụ thể khác nhau. Trong chương trình chỉ nghiên cứu phương pháp điều chỉnh điện áp ra là phương pháp điều chỉnh độ rộng xung (PWM).
6.4.2. Mạch điều khiển các BBĐ PWM dùng thyristor
6.4.2.1. Sơ đồ khối mạch điều khiển BBĐ PWM dùng thyristor
Các BBĐ một chiều - một chiều dùng thyristor không đảo chiều thường gồm một thyristor chính (T1) đóng vai trò khóa đóng cắt và một hoặc một số thyristor phụ có nhiệm vụ khóa thyristor chính. Để đơn giản, thực hiện xây dựng mạch điều khiển cho sơ đồ BBĐ chỉ có một thyristor phụ. Từ nguyên lý hoạt động phần mạch lực của các sơ đồ BBĐ dạng này, có thể đưa ra nhận xét sau:
- Tần số (hoặc chu kỳ) của chuỗi xung điều khiển cả hai thyristor là như nhau và bằng tần số yêu cầu của chuỗi xung điện áp đầu ra BBĐ.
- Thời gian đóng (tđ) là khoảng thời gian tính từ thời điểm xuất hiện xung điều khiển trên thyristor chính (mở T1 - đóng K) đến thời điểm xuất hiện xung điều khiển trên thyristor phụ (T2) tiếp sau đó (khóa T1 - cắt K). Thời gian cắt (tc) là khoảng thời gian tính từ thời điểm xuất hiện xung điều khiển trên thyristor phụ
171
(khóa T2 - cắt K) đến thời điểm xuất hiện xung điều khiển trên thyristor chính (T1) tiếp sau đó (mở T1 - đóng K).
Từ các nhận xét trên có thể xây dựng được cấu trúc điều khiển BBĐ:
- Sử dụng một mạch tạo chuỗi xung có tần số không đổi và bằng tần số yêu cầu của chuỗi xung điện áp đầu ra BBĐ. Các mạch này là các mạch tự dao động có thể xây dựng từ các kinh kiện bán dẫn rời rạc hoặc các vi mạch và được gọi là mạch phát sóng chủ đạo.
- Có thể chọn chuỗi xung đầu ra của mạch phát sóng chủ đạo làm xung điều khiển cho một thyristor (phải thực hiện sửa lại dạng xung và khuếch đại để đảm bảo công suất), còn xung điều khiển thyristor kia sẽ được tạo bằng cách dịch thời điểm xuất hiện xung của chuỗi xung đầu ra mạch phát xung chủ đạo đi một khỏng thời gian cần thiết.
Việc sửa dạng xung, khuếch đại công suất xung hoàn toàn có thể sử dụng các sơ đồ đã giới thiệu ở phần điều khiển bộ chỉnh lưu.
Hình 6.22 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển BBĐ PWM
Hình 6.22 là sơ đồ khối mạch phát xung điều khiển cho BBĐ một chiều - một chiều PWM sử dụng thyristor, trong đó:
- Khối phát sóng chủ đạo (FSCĐ): có nhiệm vụ tạo ra chuỗi xung điện áp thường có dạng hình chữ nhật với tần số bằng tần số của chuỗi xung điện áp đầu ra BBĐ. Khối này thường sử dụng các mạch tự dao động;
- Kênh phát xung điều khiển T1 chỉ có khối gia công xung thứ nhất (GCX1), có nhiệm vụ thay đổi độ dài hoặc dạng xung (sửa xung) đầu ra FSCĐ, khuếch đại công suất xung sau khi sửa xung để đảm bảo xung ra có đủ công suất điều khiển mở T1 và truyền xung đến cực điều khiển của T1;
172
- Kênh phát xung điều khiển T2 gồm các khối FSRC, SS và GCX2:
- Khâu phát sóng răng cưa (FSRC): có nhiệm vụ tạo ra hệ thống điện áp hình răng cưa với chu kỳ đúng bằng chu kỳ xung ra của khối FSCĐ, thời điểm đầu mỗi xung răng trùng với thời điểm xuất hiện xung điều khiển T1.
- Khâu so sánh (SS): có làm nhiệm vụ quyết định thời điểm xuất hiện xung điều khiển thyristor phụ T2 trên cơ sở so sánh xung răng cưa đầu ra khâu FSRC với tín hiệu điều khiển uđk (tín hiệu quyết định độ rộng xung điện áp ra). Nguyên lý hoạt động của khâu tương tự như khâu cùng tên trong hệ thống điều khiển các bộ chỉnh lưu sử dụng nguyên tắc khống chế pha đứng.
- Khâu gia công xung thứ hai (GCX2): chức năng tương tự như GCX1, khâu này thực hiện thay đổi độ dài hoặc dạng xung ra của khối so sánh, tiếp theo thực hiện khuếch đại và truyền xung ra đến cực điều khiển T2.
Các phần tử trong mạch phát xung được cung cấp (nuôi) bằng các nguồn điện áp một chiều. Điện áp điều khiển dùng để điều chỉnh điện áp đầu ra BBĐ là uđk là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được giá trị theo yêu cầu. Các xung điều khiển các van ký hiệu là uđkT1 và uđkT2.
*Chú ý: Có thể chuyển đổi kênh phát xung điều khiển thyristor chính T1 để phát xung điều khiển cho thyristor phụ T2 và ngược lại, khi đó qui luật thay đổi của điện áp ra theo điện áp điều khiển sẽ bị đảo lại.
6.4.2.2. Một ví dụ về hệ thống điều khiển BBĐ PWM a. Sơ đồ nguyên lý
Hình 6.23 là một sơ đồ mạch điện hệ thống điều khiển BBĐ một chiều - một chiều điều chế độ rộng xung dùng hai thyristor (thyristor chính T1 và thyristor phụ T2).
Trong sơ đồ sử dụng sơ đồ phát sóng chủ đạo bằng vi mạch số 555. Tín hiệu ra của mạch phát sóng chủ đạo ux1 được chia làm 2 đường:
- Đường thứ nhất đưa đến khống chế khối gia công xung thứ nhất GCX1 để tạo xung điều khiển T1 gồm: mạch sửa xung sử dụng các transistor Tr1, Tr2, tụ C5
và các phần tử liên quan; mạch khuếch đại xung và truyền xung dùng Tr3, máy biến áp xung BAX1;
- Đường thứ hai đưa đến kênh phát xung cho thyristor phụ T2 gồm: mạch tạo điện áp răng cưa dùng khuếch đại thuật toán A1, transitor Tr4 và các phần tử thụ
173
động khác (C3, C4, R9, R10); mạch so sánh dùng khuếch đại thuật toán A2; khối gia công xung thứ hai GCX2
Hình 6.23: Sơ đồ một mạch tạo xung điều khiển BBĐ PWM dùng thyristor gồm mạch sửa xung dùng mạch R13-C6 kết hợp với transitor Tr5, mạch khuếch đại và truyền xung dùng transistor Tr6, máy biến áp xung BAX2
Tiếp điểm thường mở của rơ le RL (rơ le khởi động) mắc nối tiếp giữa thứ cấp máy biến áp xung BAX1 và cực điều khiển của thyristor chính T1 được sử dụng để khởi động BBĐ và có tác dụng khống chế quá trình nạp điện ban đầu cho tụ điện chuyển mạch.
b. Nguyên lý làm việc
Nguyên lý làm việc của kênh điều khiển thyristor T1:
Khi chưa có xung ra của FSCĐ (ví dụ lân cận trước t = 0), Tr1 khóa, tụ C5
được nạp bởi nguồn điện áp +Ucc2 đến đầy (có giá trị xấp xỉ Ucc2) qua mạch R5 - C5
- mạch gốc-phát Tr2, Tr2 mở bão hòa nên Tr3 khóa và chưa có xung điều khiển T1. Tại thời điểm bắt đầu xuất hiện một xung điện áp đầu ra khối phát sóng chủ đạo (ví dụ tại thời điểm t = 0), xung này được truyền qua R3 đến cực gốc Tr1 làm cho Tr1 mở, dẫn đến tụ điện C5 phóng điện qua Tr1 làm khóa Tr2, Tr2 khóa làm xuất hiện xung khống chế mở Tr3 và có xung trên cuộn thứ cấp máy biến áp xung BAX1
174
(xuất hiện uđkT1). Quá trình phóng điện qua Tr1 làm cho điện áp trên tụ C5 giảm dần, khi điện áp trên C5 bằng không, Tr2 mở trở lại nhờ được định thiện qua điện trở R6, Tr2 mở làm cho Tr3 khóa lại, mất xung điều T1. Đến t = t1, mất xung ra khối FSCĐ, Tr1 khóa lại, tụ C5 lại được nạp để chuẩn bị cho quá trình khóa Tr2, mở Tr3 ở đầu chu kỳ tiếp theo. Đến t = Tck, xuất hiện xung ra tiếp theo của khối FSCĐ, Tr1
lại mở, dẫn đến Tr2 khóa lại và Tr3 lại mở, xuất hiện xung điều khiển tiếp theo của T1.
Nguyên lý làm việc của kênh điều khiển thyristor T2:
Nguyên lý mạch điện áp răng cưa: Khi chưa có xung ra của FSCĐ (ví dụ lân cận
trước t = 0), Tr4 khóa, tụ C4 đang được nạp điện. Tại t = 0, xuất hiện xung ra khối FSCĐ. Tín hiệu ux1 được truyền qua tụ C3 làm mở Tr4, tục C4 phóng nhanh qua Tr4 đến điện áp bằng không trước khi Tr4 khóa lại. Như đã biết, do tụ C3 có dung lượng rất nhỏ nên nhanh chóng được nạp đầy điện áp. Quá trình diễn ra lặp đi lặp lại mang tính chu kỳ, đồ thị điện áp răng cưa (điện áp đầu ra A1) được minh họa trên hình 6.24b.